惠更斯原理

新概念物理教程光学公元前400年《墨经》：光的几何性质记录公元前300~400年欧几里德：光的直线传播开普勒（德）：光照、光疏密性质、全反射1621年斯涅尔（荷）：折射定律1655年格拉马蒂（意）：衍射、薄膜干涉现象牛顿：总结提出光的粒子说惠更斯（荷）：同期提出光的波动学说。（以太介质）1801年托马斯.杨（英）：杨氏双缝干涉1808年马吕斯（法）：光的偏振（光是横波）1811年布儒斯特（英）：双轴晶体1818年菲涅尔（法）：惠更斯—菲涅尔原理同期洛埃：洛埃镜实验半波损失—为波动说奠定基础。1849—62年菲索和傅科（法）光速测量：—证实波动说1872年迈克尔逊和莫雷（美）：以太寻找实验1872年麦克斯韦：建立Maxwell方程，光速，光是电磁波1886年赫兹（德）：证实电磁波1905年爱因斯坦：光的量子学说—光的粒子性相对论—光速重要光学事件光的波粒二象性第一章光和光的传播§3惠更斯原理§2光的几何光学传播规律§4．Fermat原理§1光的本性察其言而观其行，方能知其人。研究光的本质，必须从其现象开始。光在与不同物质的相互作用中，表现出不同的性质。可以用不同的物理模型对光进行描述。§1光的本性光是什么？1、光的宏观表现传播定律：均匀介质中，光沿直线传播反射定律：i’=i折射定律：nsini=n’sini’光线模型2、光与小尺度物体的作用1801年，T．Young在光通过双孔的实验中，首次观察到了光的干涉现象1808年，Malus观察到了光的偏振现象，说明光是横波1865年，Maxwell提出电磁波理论，后来证实光是电磁波光的电磁波模型3、在原子尺度上的表现“紫外灾难”，1900年由Plank用量子假设解决。1905年，Einstein用量子假设成功解释光电效应。光量子模型。这也是一切量子现象的基本属性。与几何光学时期的波动性和粒子性根本不同最早由于牛顿的威望，使光的微粒说统治了近两个世纪。直到19世纪上半叶，杨氏(T.Young)和菲涅耳（A.J.Fresnel）等人的工作，不仅解释了光的干涉、衍射现象，还测出了光的波长，还由光的波动理论得出光在水中的速度小于空气中的速度的结论。这一结论直到1862年由（J.L.Foucalt）的实验所证实。菲涅耳和阿喇果（D.Arago）通过实验还证明了光的横波性。至此，波动说取得了巨大成功。但是波动说仍然以”以太”为假设，人们无法理解”以太”，这使得惠更斯的波动说和牛顿的微粒说一样，都带有机械论的色彩。把光现象看成某种机械运动过程，光是弹性波，必须有弹性介质——以太。机械的弹性理论没有指出光学现象和其他物理现象间的任何联系。1846年，法拉第(Faraday)发现了光的振动面在磁场中发生偏转。这表示光学现象与磁学现象间存在内在的联系。1856年韦伯（Weber）发现，光在真空中的速度等于电磁强度的电磁单位与静电单位的比值3×108m/s，这表示光学现象与电学现象有一定的关系。1865年麦克斯韦（J.C.Maxwell）建立起著名的电磁场理论预言了电磁波的存在，证明了电磁波的横波性，并发现电磁波的速度等于光速！由此，麦克斯韦认为光是一种波长较短的电磁波。1888年，赫兹（H.R.Hertz）通过实验发现了波长较长的电磁波。19世纪末20世纪初是物理学发生伟大变革的时代，从牛顿力学热力学和统计力学到麦克斯韦的电磁理论，经典物理学已形成一套严整的理论体系。人们认为物理学中的各种基本问题在原则上都已得到完善解决，经典物理理论体系囊括了一切物理现象和基本规律，剩下的似乎只是解微分方程和具体应用的问题了（大厦已建成，后人只做修补就行了）。然而，“正当人们欢庆这座宏伟的经典物理学大厦落成的时候”，一个个惊人的发现使经典物理学理论重新陷入困境。1887年，迈克尔逊（A.A.Michelson）利用光的干涉效应，试图探测地球“以太风”的存在，但得到了否定的结果。以“以太（静止、充满整个宇宙）”为背景的绝对时空观遇到了根本性的困难。随后瑞利（L.Rayleigh）和金斯(J.H.Jeans)根据统计力学和电磁波理论，导出了黑体辐射公式，该公式要求辐射能量随频率的增大而趋于无穷（紫外灾难)。1900年4月27日，当时的物理学权威开尔文（威廉.汤姆逊）（L.Kelvin）在为送别旧世纪而做的题为《十九世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的长篇讲话中，把上述两个问题比喻笼罩在物理晴朗天空的两朵乌云。但后来的物理学发展证实，正是这两朵乌云孕育着近代物理学两个革命性的重大理论-----------------------------相对论和量子论的诞生。有趣的是，这两个问题都与光学有关。1900年，为解决黑体辐射理论和实验的矛盾，普朗克（M.Planc）提出了量子假说，认为各种频率的电磁波（包括光波），只能象微粒一样，以一定最小份额的能量发生（能量子），这是一个光的发射问题。另一个显示光的微粒性的重要发现是光电效应，即光照射到金属表面使电子逸出，逸出电子的能量与光强无关，而只与频率有关，这是光的吸收问题。1905年爱因斯坦（A.Einstain）提出了光量子假说，（E=hυ，p=hυ/c=h/λ）成功的解决了光电效应现象。Einstein光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。就连量子物理创始人Planc也认为太过分了。他在1907年给Einstein的信中写到：“我认为基本量子（光量子）所寻找的不是它在真空中的意义，而是它在吸收和发射地方的意义，并且我认为真空中过程已由Maxwell方程作了精辟的描述”。直到1913年他还对光子持否定态度。其实光是十分复杂的客体。关于光的本性问题，只能用它表现的规律和性质来回答；光的某些方面的行为象经典的“波动”，另一方面的行为却象经典的粒子.这就是所谓的“光的波粒二象性”。光究竟是微粒还是波动？三.光源：能发射光波的物体。(1)热辐射(2)电致发光(3)光致发光(4)化学发光能级跃迁波列波列长L=c自发辐射非相干(不同原子发的光)非相干(同一原子先后发的光).(5)同步辐射光源(6)激光光源受激辐射自发辐射E2E1h/EE12uEH1.电磁波的产生凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源例如：天线中的振荡电流分子或原子中电荷的振动2.对电磁波)(cos0urtEE)(cos0urtHH平面简谐电磁波的性质(1)(2)电磁波是横波•的描述（平面简谐波）H,EEH和传播速度相同、相位相同u//HEOxyz四.光谱HE(3)量值上(4)波速(5)电磁波具有波的共性——在介质分界面处有反射和折射221Ew3.电磁波的能量密度真空中折射率221H/1u00/1crrcnu/•能流密度dAuSuwtAwtuASdddd1)21(2122HEHEEHHES•波的强度ITtttSTSSId1TttturtHET)d(cos12002021E结论：I正比于E02或H02,通常用其相对强度2021EItud•坡印亭矢量表示（坡印亭矢量）S•光是电磁波，具有电磁波的各种特性。10-410-21012101010810610410210141宇宙射线射线伦琴射线紫外线可见光红外线无线电波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波微波波长0A光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~622660橙622~597610黄597~577570绿577~492540青492~470480兰470~455460紫455~400430141410841093.~.141410051084.~.141410451005.~.141410161045.~.141410461016.~.141410661046.~.141410571066.~.•可见光七彩颜色的波长和频率范围•光的非单色性1.理想的单色光、2.准单色光、谱线宽度有一定波长（频率）范围的光。谱线宽度：准单色光：在某个中心波长（频率）附近00II0谱线宽度20I光学的研究对象、理论体系与应用光学是研究光的传播及其与物质相互作用问题的学科。它既是物理学中一门重要的基础学科，又是一门应用性很强的学科。若不涉及光的发射与吸收等与物质相互作用过程的微观机制，这部分内容称经典光学。在传统上经典光学可分为两大部分；当波长可视为极短，从而波动效应不明显时人们把光的能量看作是沿着一条光线传播的，遵从直进、反射、折射等实验定律，这便是几何光学。经典光学的另一部分是物理光学，它主要研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）。研究方法是以光在本质上是波长较短的电磁波为基础。光和物质的相互作用问题，通常是在分子、原子的尺度里研究，有时用经典理论有时用量子理论。这类问题不属于经典光学范围，通常称为量子光学。光学的另一分支是现代光学，是在60年代特别是激光问世以后迅速发展起来的，并与其他学科结合、渗透、派生出不少崭新的分支学科，激光的应用非常广泛。光学理论体系几何光学反射、折射、透镜经典光学波动光学干涉、衍射、偏振光学量子光学光的发射、吸收、相互作用激光原理及应用傅立叶光学、全息光学现代光学激光光谱学非线性光学五、学好光学课程的重要性:光学是经典物理向近代物理过渡的桥梁，它是后续课原子物理（近代物理）、量子力学）等的基础;六、主要参考书1.《光学教程》姚启均2.《光学》母国光3.《光学》赵凯华4.《光学》（基础物理从书）赵玲5.《基础光学》李良德6.《光学》郭光灿7.《光学基础》JankinsandWhite§2光的几何光学传播规律一．几何光学是关于物体所发出的光线经光学系统后成像的理论。二．几何光学中光的物理模型光线：任意一点可以向任一方向发出直线，称为光线。光的直线传播、反射和折射都可以用直线段及其方向的改变表示。几何光学是关于光的唯象理论无数光线构成光束在几何光学领域，也无法定义诸如波长、频率、能量等物理量。1光的直线传播定律在均匀媒质中，光沿直线传播。PQ2.1几何光学的实验定律2．光的反射律物观察者（接收器）平面镜挡板ii反射光在入射面内界面ii入射面n3、光的折射定律介质2介质1分界面物像1i2i21sin/sinii只与两种介质有关1i1i2i2211sinsininin折射光在入射面内Snell定律界面入射面n自不同方向或不同物体发出的光线相交时，对每一光线的传播不发生影响。即各自保持自己原有的特性，沿原方向继续传播，互不影响。4、光的独立传播定律2.2全反射对光线只有反射而无折射的现象。当光从光密介质n1射向光疏介质n2（n1）时i1i2i1＝ici2＝90n1sinic＝n2sin90——临界角如果：iic,那么不再有折射光线而光全部被反射。例如：n2=1的空气对于n1=1.5的玻璃而言，临界角ic≈42°。121sinnnic光纤单根光线不能传输图像依靠集束光线传输图像2.3棱镜)()()()(22112121iiiiiiii22ii11ii11ii22ii21sinsinini21sinsiniin2sin2sinm2i2i1i1i•偏向角有最小偏向角主截面：垂直于两界面的截面.偏向角：出射线与入射线间的交角.棱镜光谱仪（单色仪）棱镜的应用：1变更光线的方向（全反射棱镜）2分光2.4光路可逆原理光线如果沿原来反射和折射方向入射时，则相应的反射和折射光将沿原来的入射光的方向。如果物点Q发出的光线经光学系统后在Q’点成像，则Q’点发出的光线经同一系统后必然会在Q点成像。QQ’•在几何光学中，任何光路都是可逆的。即物像之间是共轭的。克里斯蒂安·惠更斯(ChristianHuygens，1629—1695)荷兰物理学家、